PlusMagi's Blog By Pitt Phunsanit Technology เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเทอร์โมอิเล็กทริกจากไอโซโทปรังสี (Radioisotope Thermoelectric Generator: RTG): แบตเตอรี่นิวเคลียร์ผู้หล่อเลี้ยงยานสำรวจขอบระบบสุริยะ

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเทอร์โมอิเล็กทริกจากไอโซโทปรังสี (Radioisotope Thermoelectric Generator: RTG): แบตเตอรี่นิวเคลียร์ผู้หล่อเลี้ยงยานสำรวจขอบระบบสุริยะ

เมื่อยานอวกาศต้องเดินทางออกไปยังดาวพฤหัสบดี ดาวเสาร์ หรือขอบนอกสุดของระบบสุริยะ แสงอาทิตย์จะริบหรี่จนแผงโซลาร์เซลล์ไม่สามารถผลิตพลังงานไฟฟ้าได้เพียงพอ การสำรวจอวกาศห้วงลึกที่ยาวนานหลายสิบปีจึงต้องพึ่งพา เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเทอร์โมอิเล็กทริกจากไอโซโทปรังสี (RTG) หรือที่รู้จักกันในนาม “แบตเตอรี่นิวเคลียร์” ซึ่งทำงานเงียบสนิท ไร้ชิ้นส่วนเคลื่อนไหว และผลิตกระแสไฟฟ้าได้อย่างต่อเนื่องไม่ว่าสภาพแวดล้อมจะมืดมิดหรือหนาวเหน็บเพียงใด

photo-1614728894747-a83421e2b9c9?w=1200 เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเทอร์โมอิเล็กทริกจากไอโซโทปรังสี (Radioisotope Thermoelectric Generator: RTG): แบตเตอรี่นิวเคลียร์ผู้หล่อเลี้ยงยานสำรวจขอบระบบสุริยะ
เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเทอร์โมอิเล็กทริกจากไอโซโทปรังสี (RTG) ต้นกำเนิดพลังงานของยานสำรวจอวกาศลึก

หลักการทำงาน: แปลงความร้อนจากการสลายตัวเป็นไฟฟ้า

RTG ไม่ใช่เตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิชชันที่ต้องควบคุมปฏิกิริยาลูกโซ่ แต่ทำงานผ่านกระบวนการทางฟิสิกส์พื้นฐาน 2 ขั้นตอน

  • ความร้อนจากการสลายตัวของสารรังสี (Radioactive Decay Heat)
    แกนกลางของ RTG บรรจุไอโซโทป พลูโทเนียม-238 (Pu-238) ในรูปของเซรามิกพลูโทเนียมไดออกไซด์ (PuO2) ซึ่งจะสลายตัวและปลดปล่อยอนุภาคแอลฟาออกมาอย่างต่อเนื่อง ก่อให้เกิดความร้อนสูงถึงหลายร้อยองศาเซลเซียสจนเม็ดเชื้อเพลิงเปล่งแสงสีแดงเรื่อ
  • ปรากฏการณ์เซเบก (Seebeck Effect)
    ความร้อนจากแกนเชื้อเพลิงจะส่งผ่านไปยังคู่สารกึ่งตัวนำเทอร์โมอิเล็กทริก (Thermocouple) โดยด้านหนึ่งสัมผัสกับความร้อนสูง และอีกด้านหนึ่งสัมผัสกับครีบระบายความร้อนที่หันออกสู่ความเย็นยะเยือกของอวกาศ ผลต่างของอุณหภูมินี้จะผลักดันให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ เกิดเป็นกระแสไฟฟ้ากระแสตรง (DC) จ่ายให้กับยานอวกาศ

https://www.youtube.com/watch?v=F_fW7B3Xf3g


ทำไมต้องเป็นพลูโทเนียม-238?

แม้จะมีธาตุกัมมันตรังสีมากมายในตารางธาตุ แต่วิศวกรอวกาศเลือกใช้ Plutonium-238 เป็นสารมาตรฐานหลักสำหรับภารกิจสำรวจอวกาศเนื่องจากคุณสมบัติทางนิวเคลียร์ฟิสิกส์ที่โดดเด่น

Pu-238 แตกต่างจาก Pu-239 ที่ใช้ทำระเบิดนิวเคลียร์
พลูโทเนียม-238 ไม่สามารถนำมาใช้สร้างอาวุธนิวเคลียร์ได้ และแผ่รังสีออกมาเป็นอนุภาคแอลฟา ซึ่งมีอำนาจทะลุทะลวงต่ำมาก เพียงแผ่นโลหะหุ้มภายนอกก็สามารถกักเก็บรังสีไว้ได้อย่างปลอดภัย

คุณสมบัติทางฟิสิกส์ ค่าของ Pu-238 ความสำคัญต่อภารกิจอวกาศ
ครึ่งชีวิต (Half-life) 87.7 ปี กำลังไฟฟ้าลดลงเพียงประมาณ 1% ต่อปี ทำให้ยานทำงานได้ต่อเนื่องหลายสิบปี
ความหนาแน่นกำลังความร้อน ~0.57 วัตต์ต่อกรัม ให้ความร้อนเข้มข้นในขนาดโมดูลที่กะทัดรัดและน้ำหนักเบา
ความปลอดภัยทางรังสี แผ่รังสีแอลฟาเป็นหลัก ไม่สร้างความเสียหายต่ออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และคอมพิวเตอร์บนยาน

ภารกิจในตำนานที่รอดชีวิตด้วยพลังงาน RTG

หากไม่มีเทคโนโลยี RTG ภารกิจสำรวจอวกาศที่ยิ่งใหญ่ที่สุดของมนุษยชาติหลายโครงการจะไม่สามารถเกิดขึ้นได้จริง

  • Voyager 1 และ 2
    ออกเดินทางตั้งแต่ปี 1977 และยังคงส่งข้อมูลโทรมาตรกลับสู่โลกจากห้วงอวกาศระหว่างดวงดาว (Interstellar Space) มาจนถึงปัจจุบัน รวมระยะเวลาปฏิบัติภารกิจต่อเนื่องยาวนานกว่า 48 ปี
  • New Horizons
    บินผ่านสำรวจดาวพลูโตและแถบไคเปอร์ที่ระยะห่างมากกว่า 5 พันล้านกิโลเมตร ซึ่งแสงอาทิตย์อ่อนแรงกว่าบนโลกถึง 1,000 เท่า
  • Curiosity และ Perseverance
    รถโรเวอร์บนดาวอังคารใช้ระบบ MMRTG (Multi-Mission RTG) ช่วยให้ปฏิบัติงานได้ตลอด 24 ชั่วโมง ทั้งกลางวันและกลางคืน โดยไม่ต้องกังวลเรื่องฝุ่นพายุทรายดาวอังคารมาบดบังแผงโซลาร์เซลล์

เทคโนโลยี RTG จึงเป็นหัวใจสำคัญที่หล่อเลี้ยงระบบคอมพิวเตอร์และเครื่องมือวัดทางวิทยาศาสตร์ ให้สามารถไขความลับของจักรวาลในจุดที่แสงอาทิตย์ส่องไปไม่ถึงได้อย่างแท้จริง


Exit mobile version